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中国工程院院士江亿,用冷暖数据揭开建筑节能的秘密 
作者:[江亿] 来源:[中国经济大讲堂2019-10-18] 2019-10-22

导读:2019年9月9日召开的中央全面深化改革委员会第十次会议再次强调:倡导简约适度、绿色低碳的生活方式,开展绿色商场、绿色建筑等创建行动,推动绿色消费,促进绿色发展。那么,建筑能耗究竟包括哪些内容?如何才能科学地控制建筑能耗,降低运行成本?在节能理念和作法上,人们还存在怎样的盲区和误区?《中国经济大讲堂》特邀中国工程院院士、清华大学建筑节能研究中心主任江亿为您精彩解析。

江亿,中国工程院院士、清华大学建筑节能研究中心主任。他是我国建筑热环境工程学科的倡导者和创建者之一,国务院能源咨询专家委员会成员,中国节能协会会长。上世纪八十年代末,年仅37岁的江亿和他的同事们下海,共同创办了清华人工环境工程公司,而这正是未来赫赫有名的清华同方的前身。正是他率领团队自主研发出中国第一代楼宇用分布式空调计算机控制系统,打破了国外垄断,应用到人民大会堂、中南海怀仁堂、毛主席纪念堂、故宫博物院、水立方等重要场所。长期以来,他在建筑热环境以及人工环境工程研究领域均取得了突出的成就。



                          演讲正文



提到建筑节能,顾名思义就是减少与建筑相关的能源消耗。跟建筑相关的能源消耗主要分成两大部分:一部分是建造能耗,一部分就是运行能耗。工地上使用的钢铁、水泥、砖头、瓦块、陶瓷、玻璃,这都属于高能耗产品。在盖房子现场,像建造设备、施工装置也消耗不少的电,我们管这部分消耗叫建造用能,它是建筑能耗很重要的一个组成部分。除此之外,像空调、暖气、照明、电视、家电,包括学习、工作用的电脑,这部分所消耗的电、气我们叫做建筑运行能耗。

这两个部分能耗是什么关系呢?目前中国建筑每平米的年均运行能耗是16公斤标煤。房子盖好之后用5年到20年所消耗的运行能耗跟当初盖房时的能耗基本相同。但是我们的房子不仅仅只用10年、20年,我们房子的产权证还是70年的。一个建筑房子盖好,应该能维持一百年的主体结构。如果用一个一百年的整体全生命周期来看,这个建造用能只占其10%到20%,而运行用能占到它的80%到90%。所以,我们抓建筑节能要注意两方面:一方面,要注意盖房材料结构的优化,减少盖房子用的材料跟它的能耗;另一方面,要通过各种办法降低建筑运行能耗,这非常重要。

一、建筑是否节能事关未来命运

如果按人均量或单位建筑面积来衡量中国建筑运行能耗,和其它发达国家相比哪个高一些呢?我们拿实际的数据来说话。

数据显示,从2001年到2017年中国建筑整体运行能耗数据来看,2001年的时候,中国建筑用能总量还不到四亿吨,现在几乎十亿吨了,是原来的两倍半。主要就是因为房子越来越多,房屋总量不断增加导致能耗大幅度增长,同时单位建筑面积的能耗也在增加。

我们国家跟发达国家比,不论是年人均建筑运行能耗还是年单位建筑运行能耗都远低于发达国家、低于美国,也低于日本、韩国或者欧洲一些国家,但是跟一些发展中国家比又比它们高得多。这就是当今世界在建筑用能领域目前的状况。

美国现在有3.3亿人口,占全球总人口的4%,它的建筑用能是每年13.6亿吨标煤,占全球总能耗的7%。中国现在拥有13.9亿人口,占世界人口总数的18.5%,建筑用能不到十亿吨煤,占全球总能耗的5%。单单从建筑用能来看,如果中国人均消耗建筑运行用能跟美国一样多的话,每年就得58亿吨标煤。也就是说,现在中国能源消耗总量每年不到50亿吨标煤,所有能量都拿来给建筑还不够用,还得再增加上20%才能满足按照美国建筑使用模式来解决咱们建筑用能问题,显然这是不成立的。如果那样做,我们在建筑方面消耗的能源就得占目前世界总能耗的30%。

从总体来看,我们国家在建筑节能领域今后的发展至少面临三件大事:第一就是能源安全问题,我们现在石油对外依存度接近70%,天然气对外依存度也到40%;第二就是大气污染问题;第三是碳排放问题。要实现人类的可持续发展,使我们能在地球好好生存,让子孙后代能够好好活下去,就必须把二氧化碳排放降下来,否则最后的结果也许就像电影《流浪地球》似的,人该逃离了,这事总不行。

建筑节能到底该怎么做?往哪儿走?关系到中国未来发展命运,甚至于关系到人类未来发展命运。我们人类选择的路只有一条,就是要大幅度消减我们的化石能源用量。由于可再生能源发展还有很多的困难、有很漫长的路,所以节能是最有效的办法。

二、建筑是否节能节约用电很重要

我们从北京市几千户住宅中随机抽取每户一年的用电量,对比美国同样规模抽取的每户一年的用电量可以看出,中国平均一户一年的用电量是1900度电,美国是11500度电。我们对比了两户典型的中国家庭和美国家庭的实际用电量发现,中国收入比较高的白领家庭,他们的用电量一年不超过3000度电,而美国大都是别墅型的建筑,像三层小楼的结构,面积大约150平米,比中国面积大一点,他们的用电量大概在10000度电。这其中差别较大的原因就是中国大多是分体空调年均消耗400度电,美国那边是中央空调年均消耗3000度电,是我们的7.5倍。为什么差别这么大呢?在2006年、2007年的时候,我们找了好几种住宅楼房,这些楼房每家每户都装着空调,基本一个房间装一个。我们把这些空调都装上电表,统计一个夏天的用电结果。数据显示,那些家家户户装了分体空调的楼,平均每户每平米用电2度到3度,就这样用了一个夏天。

中国90%以上的城市居住建筑都使用这种分体机,而美国90%以上的城市建筑都是别墅,都采用中央空调。中央空调的工作原理就是将一个机器做出来的冷风通过风道送到各个房间去,包括卫生间、厨房,不管屋子里有人没人,机器都得往那儿送风。我作过不少调查,发现在美国的一些家庭,他们出去旅游一周,家里的空调还是开着的,只是把设定值拨到26摄氏度或28摄氏度,将房间维持一个比较好的状态,不然室内就潮湿了,也许会导致衣服受潮。他们考虑的大概就是这个。

我们的学生写过一篇关于中国家庭空调使用情况的文章,到美国开会时做了报告。报告结束后,现场的美国观众提出了质疑,认为我们的空调使用方法一定存在问题。他们不理解家庭使用空调为什么只开一台,认为要使用的话,应该家中的每台都打开才对。他们认为这份报告中提到的空调的使用情况非常不可思议。这就特别清晰地反映出两种文化的碰撞和两种文化的巨大差别。中国传统文化讲究勤俭节约,既然人都离开屋子了,就一定要把空调、灯都关了。而且现在人们的屋子面积都大了,如果人在客厅的话,卧室的电器也没必要开,要等到待会儿快睡觉了,再把卧室空调打开,把客厅空调关上。在中国,大概绝大多数老百姓都是这样一个模式,可是在美国真的不是这种状况。

那么办公建筑的用能情况又是怎样呢?我们专门挑了一个跟北京气候状况非常接近的城市——费城,对它的一个大学校园进行了长时间跟踪式的调查测试,然后用所得的用电数据跟北京的大学比较。北京在夏天时,温度比费城稍高,冬天比费城略冷。按理来说,北京的建筑用能应该比费城高一些。但实际结果是什么样呢?咱们还是以用电量作为指标,从在北京的一所大学中四座不同年代盖的楼来看,清末盖的楼一平米年均消耗34度电;俩座本世纪盖的好点儿的办公楼,一座一平米年均消耗98度电,另一座一平米年均消耗156度电;清华图书馆一平米年均消耗21度电。而在费城大学的四栋楼中,其中两座办公楼一平米年均消耗195度电,另一座消耗288度电;沃顿商学院一平米年均消耗356度电;图书馆一平米年均消耗120度电。

根据使用的空调方式不同,从北京大楼里一平米耗电量来看,中央空调平均消耗80多度电,分体空调平均消耗60多度电,最高达到150度。对比费城的这所大学,它的平均消耗是230度电,最高的一平米达到800多度电,接近900度电,差别特别大。

有这么大差别的原因是什么呢?一个是取决于在通风时选择开窗自然通风还是完全靠机械,这导致结果出现很大的差别;其次,选择部分时间、部分空间使用空调,还是24小时连续使用空调,得到的结果也很不一样;再有就是人机关系方面,是由使用者主动参与,根据自己的感受调整温度,还是完全让使用者被动式地接受服务,这也导致能耗差别非常大。

有一个专用名词叫“病态建筑综合征”,这种“病态建筑综合征”往往出现在所谓的现代化大楼里。所以现代化大楼该盖成什么样?我觉得这种节能理念应该深入研究,好好发扬,为现代化大楼的建造规划出一条与众不同的道路。

目前我国在实施建筑节能工作中还存在不少认识的盲区,比如通风的室内环境还是密闭的新风系统哪个更有利于健康?制冷和供热应该选择分散式还是集中式?建筑应该亲近自然还是打造自己独立的内部环境?建筑节能,我们该如何扫清盲区,走出误区?

三、怎样的室内环境既节能又让人们居住舒适?

1.自然通风比新风系统对健康和节能更有利

我们到底需要一个什么样的室内环境?应该是舒适和健康,健康对我们来说这是非常重要的。那么,在空调影响的环境或者恒温、恒湿的环境对我们人体的热适应机能有怎样的影响呢?我和清华其他老师们作过一个试验,我们找到两组人,一组人长期不接触空调环境,家里、工作场所都没有安装空调;另一组人长时间处于空调环境。我们让这两组被试先在26摄氏度的环境下待着,等适应了温度之后,突然请他们到36摄氏度的房间去,看他们身体机能的变化,包括测血压、抽血测参数等,看他们各种指标变化情况,包括心跳、皮肤温度有什么变化等?试验结果表明,越长时间待在空调环境的人下,在更换环境之后觉得特别热。这些长期处于在空调环境下的人,他们的高温适应性就比较差。我们人类进入现代化社会以来,确实有办法把任何一个我们所处的地方营造出恒温、恒湿的环境来,这个技术本身没问题,但是我们是否应该这样去做呢?如果真都这样做了,每个人都像温室里花朵一样,经不起风吹雨打。一旦由于某种原因需要你走到室外去,在太阳下面或高温环境中稍作停留,可能你马上就中暑了。

影响室内空气质量的它的污染物来源于两方面:一个是室外,今天天特别好,有时候天闹雾霾,是吧?这脏空气进到屋子里头,这是一块;再有一部分是屋子里头的装修材料等等冒出来的这个有害气体,这两种气体、两种污染物都对人的身体有害;此外,当然如果你在家里抽烟或者还有这个炊事,做饭的时候冒出点油烟来,这东西就有这三类污染。那么我们要改善要维持室内的好点的空气质量、室内的卫生环境,就得把这三种污染物都给排除掉。

一段时间以来各个地方都开始推行一种叫做新风机的东西。实际是用风机把室外的空气抽到室内来,通过过滤器把室外的污染物过滤掉,让屋子里总是新风,总是“四季如春”。那么,这种新风机到底合适不合适中国目前的状况呢?

 实际上,要想解决屋子里空气干净的问题,还有一个很简单的方法。我们可以将湿毛巾罩在立扇、风扇上,当风扇启动,空气经过湿毛巾,如果湿毛巾变黑、变脏,这就说明空气里“脏东西”都过滤到这里了。

开窗户通风也能够根据需要实现挺大的换气量,能把室外的空气流通到屋子里来,把屋子里的污浊的空气排到室外去。而市面上销售的各种各样的新风机,最多只能达到一小时一次的室内外换气,开窗户则能达到一小时五次的室内外换气。如果室外刮风或者室内温差大,换气频率最多能到十次。相比而言,一个是自然通风,一个是依靠机器,要是想实现十次换气的话,对机器来说就特别困难。不仅如此,如果室内聚集的人多了,人的身上也会有一些污染物气体散发,这只能通过比较大量的通风换气才把屋子里这些污染物气体排走。因为带过滤装置的新风机,只要室外的空气进来它都得过滤,大颗粒、小颗粒都得进到的过滤器去。这样一来,滤器“吃”的灰可就多了。尤其外面空气质量特别不好的时候,外面“脏风”中的脏东西都得存在这个新风机的滤器装置里。

有人提出,只要好好清洗过滤器就可以避免赃物留存。但你能做到用什么样的频率去清洗过滤器呢?一天一次?一周一次?我们做过调查,在有这样装置的家中,他们清洗的频率是很少的,几乎做不到一周一次的清洗。如果不能及时清洗,当干净的空气经过过滤器就会被二次污染。 

大家可能知道毒塑胶地板、毒塑料。制作塑料的一些配方里有一种叫做半挥发性有机物,它可能对人体更有危害性。但是这种半挥发性有机物是以气溶胶形式挥发出来的 ,它是介于气体跟液体之间的一种物体,很难在空气里传递,所以它靠空气里有一些粉尘实现传递。当粉尘靠近地板,这些半挥发性有机物会一点一点渗透到粉尘里头,粉尘在慢慢随着空气传递到我们身体上,不光是吸进鼻子、吃到嘴里,还能从皮肤上渗入,对人体有毒害。粉尘颗粒是很细微的,要想给它“吃满了”半挥发性有机物,需要几十个小时。这就可以理解为,假设空气里飘着一堆棉花球,当棉花球飘到潮湿的地方就会进水,它又来回悬浮。很长时间之后,这棉花球就都变成湿的棉花球,当湿棉花球到我身上时就会把吸附饱满的水滴沾在我们身上。半挥发性有机物主要都产生于室内的一些塑料表面上。当我们过滤室外的新鲜空气,屋子里头必然有“漏网之鱼”,那些没有被过滤掉的粉尘,到了屋子里就会在屋子里来回循环,最后就像刚刚提到的小棉花球那样,吸附那些半挥发性有机物,越吸越浓。

我的结论是,现在使用的新风系统并不能使屋子里的空气环境更舒适,相对来说还不利于健康。把窗户打开流通交换的新风量,比新风系统送进来的风量要大得多。现在,我们有好些事靠机械系统都能够办到,但是在通风换气这件事上,开窗户自然通风可以实现的换气能力是远远大于新风系统的。

2.中央空调和集中供暖不一定是最佳的解决方案

我们应该用什么样的方式来营造建筑物的室内温度环境呢?这就要考虑是“分散”还是“集中”的问题。

现在北方普遍使用集中供热系统。有些人认为这种供热方式没问题,但这种方式末端灵活调节的能力很差,难以满足各个被服务对象的不同要求,不太容易满足每个人不同的温度需求,这就导致集中系统会按最高的要求来提供服务。比如在一栋楼里,哪怕楼里只有一个人,那装置也得开着。这不仅导致高运行能耗的产生,而且服务水平降低了,因为它并不能满足我个体的需要。

 既然如此,为什么我们还非要搞集中供热或者其它的集中类的东西呢?可能是如下这几个原因:一个是装置设备无法进行分散供应。比如燃煤锅炉,它的供应方式是由热源方式决定的。再比如热电联产,它是用发电的余热作为供热进行工作的,这也必须集中处理。不仅如此,很多地方是为了提高效益而搞集中,才采取统一管理、统一提供服务的这种方式。再比如,现在在中国,90%以上的办公室都是所谓的风机盘管,实际上就是把冷水送到各个房间去,然后各个房间有风机、冷水跟空气换热,你自己可以决定是否启动风机、如何调节温度,是属于分散可调的、特别灵活的方式。但是现在有些人觉得在一些高档的建筑办公室采用这种方式不行,他们想要跟美国看齐。美国用的是全空气系统,通过集中制备冷风,再把冷风送到各个房间里去,人们就可以根据冷热感受来确定需要的冷风量是多少?但实际上,对于风的调节比水的调节要困难得多。这就是为什么在同样的办公楼中,它的空调能耗比中国要高了不少。

这几年来,有不少声音提倡在南方地区,尤其是长江流域也得进行供暖,搞集中供热。我认为这件事的关键在于,用什么办法让南方的建筑室内暖和?实际上,用各种分散的燃气壁挂炉、空调、热风机等电器都能解决屋子里的冷热的问题,而不应该照搬北方的集中供热。因为在南方,即使天气特别冷的时候,室内外温差也不像北方这么大。到北京室外零下10摄氏度,室内20摄氏度,室内外差30摄氏度的时候,在上海、南京那里的室外温度也就在零摄氏度左右,室内如果要求20摄氏度,它温差就是20摄氏度或者比20摄氏度还小。当温差小到一定程度的时候,影响屋子里冷热的就不光是室内外温差了,而是太阳辐射,像屋子里的照明情况、屋子里人员数量的多少、屋子里设备的数量等等这些因素也对屋子的温度起到了挺大的影响。这样一来,每个房子的使用状况不一样、朝向不一样,一个楼里不同的屋子、一个小区不同的建筑之间每时每刻对用热的要求变化就变得大多了,不像北方建筑主要关注室外温度、室内外温差。如果采取统一集中系统的方式,就会导致冷的地方过冷,或者热的地方过热,冷热不匀,让人感觉不舒服。我认为对于南方地区来说,分散解决供热问题是一个挺好的办法,这有其道理。所以,供暖的方式要根据不同的地方采该用不同的法子。

3.与世隔绝营造小环境不如贴近自然融入大环境

我们在营造房子室内环境时,是希望把室内跟室外彻底隔绝开,营造一个跟室外不同的小环境?还是尽可能让室外跟室内能够互相有一定的连通,能够随时接近自然环境?这是两种完全不同的理念。

我关注到一座位于深圳的办公楼,这座楼中间有好几层,叫做“空中花园”或者叫“屋顶花园”,每层总有一些室外空间。深圳是一个天气挺热的地方,但是我发现有时候都到七月份了,大伙儿可以在室外空间里坐着、开个会,或者喝点茶、聊聊天之类的,这样就有机地把人跟室内、室外环境统一起来。他们的一个大的报告厅,墙面能够通风,在很炎热的时候依然可以通风,靠自然通风,并不是搞“全封闭”,全都安装空调。在这种情况下,也使得整个的室内环境感觉挺好。

我们统计了一年中深圳57座办公建筑的用电状况,发现它们的耗电总是处于一种几乎最低或者是比较低的情况。那么,这些建筑如何实现节能的呢?他们靠的是建筑设计的理念。以前我们总想把房子的室内和室外彻底隔绝开,但它想的是贴近自然,营造接近自然的环境,再通过局部系统去解决极端气候条件下的冷热问题,这让它可以仅用非常低的能耗就实现目的。

建筑节能的核心就是维持绿色使用模式,提倡简约适度,绿色低碳的生活方式。我们要继承老祖宗的勤俭节约的模式,不能因为国家经济发展了、有钱了,就随意挥霍。比如使用中央空调,如果中央空调跟分散空调能耗差出十倍来,但对你的舒适感受可能只有一点影响,那你为什么还要花这十倍的能源消耗跟碳排放去追求那一点改善呢?况且那点儿改善恐怕还不利于你的健康和热适应力的调控。所以这可能是人类历史发展长路过程中走的一段弯路,可能慢慢还得回来,来确定未来人类到底都是什么样的?到底什么叫美好生活?


(作者简介:江亿,中国工程院院士,清华大学建筑节能研究中心主任。 ) 



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